磁流变抛光材料去除的研究

　　1　引　言

　　20世纪90年代初,W I Kordonski,I V Prokhorov及其合作者[1,2]突破了传统光学加工的束缚,将电磁学和流体动力学理论结合于光学加工中,发明了磁流变抛光技术(MRF)。该抛光方法具有抛光效率高、不产生下表面破坏层、适合复杂表面加工、材料去除函数始终固定不变等传统抛光所不具备的优点。

　　图1为磁流变抛光的原理示意图。磁流变抛光是利用磁流变抛光液在磁场中的流变性进行抛光。在高强度的梯度磁场作用下,磁流变抛光液发生流变,成为具有粘塑性的Bingham介质。当这种介质进入工件与运动盘形成的很小空隙时,在工件与之接触的区域形成一个小的柔性抛光“磨头”。由于“小磨头”与工件之间具有快速的相对运动,使工件表面受到很大的剪切力,从而使工件表面材料被去除。磁流变抛光利用柔性“小磨头”进行子口径抛光。因此,这种抛光方法特别适合于中小口径光学元件的加工。

　　2　磁流变抛光区的研究

　　在磁流变抛光中,被加工光学元件的材料去除是在抛光区内实现的。因此,研究磁流变抛光的抛光区特点是十分必要的。工件的曲率半径、工件浸入磁流变抛光液中的深度、工件轴的摆角等因素对磁流变抛光的抛光区大小和形状影响较大。下面,用标准磁流变抛光液(各成分的体积比浓度为:36%的羰基铁,55%的硅油,6%的氧化铈,3%的稳定剂)进行磁流变抛光实验,研究标准抛光区的形状以及各种因素对抛光区的影响。

　　2·1　磁流变抛光的标准抛光区形状

　　如图2所示,抛光前,调节磁极的高度,使磁极到工件的最小距离为10 mm。实验所使用的抛光液为标准的水基磁流变抛光液,其用量为50 mL。具体的实验条件如下:实验件是曲率半径为30 mm,口径为20 mm的K9玻璃;工件与运动盘所形成的间隙是1 mm;工件浸入抛光液中约1 mm。工件轴与运动盘表面垂直,即工件轴与运动盘表面的法线方向重合。此时,球面顶点位于球面中心。抛光时,工件静止不动,运动盘以40 r/min的速度转动,这相当于抛光区内运动盘的线速度为0·6 m/s。抛光5 min后,用ZYGO干涉仪测得如图2所示的抛光区形状。在图2中,上图是整个工件及标准抛光区的俯视图。图中箭头所指的方向代表磁流变抛光液的流动方向。从上图可以看到,实验得到的抛光区是位于工件中央(顶点)偏左侧的6 mm×6 mm的一个区域,其形状与倒写的英文字母“D”的形状相似。下图是整个工件及标准抛光区的截面图,所截位置与上图箭头所在位置相一致。从下图中发现,在球面中心(顶点)右侧,材料去除函数曲线逐渐降低,看起来似乎球面中心右侧材料也被去除,其实不然。这是因为抛光区内工件表面材料被去除后,当用ZYGO干涉仪对工件面形进行测量时,干涉仪为了寻找最佳焦面,而对整个工件表面进行数字拟和的结果。实际上,球面中心右侧的材料并未被去除。可见,磁流变抛光只在抛光区内材料被去除,它实现的是子口径加工。